基于plc的机械手控制（精选8篇）
一 四轴联动简易机械手的结构及动作过程
机械手结构如下图1所示，有气控机械手(1)、XY轴丝杠组(2)、转盘机构(3)、旋转基座(4)等组成。
其运动控制方式为：(1)由伺服电机驱动可旋转角度为360°的气控机械手(有光电传感器确定起始0点)；(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动(有x、y轴限位开关)；(3)可回旋360°的转盘机构能带动机械手及丝杠组自由旋转(其电气拖动部分由直流电动机、光电编码器、接近开关等组成)；(4)旋转基座主要支撑以上3部分；(5)气控机械手的张合由气压控制(充气时机械手抓紧，放气时机械手松开)。
其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械手夹住货物。
步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；转盘直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机再次驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。
二 控制器件选型
为达到精确控制的目的，根据市场情况，对各种关键器件选型如下：
1. 步进电机及其驱动器
机械手纵轴(Y轴)和横轴(X轴)选用的是北京四通电机技术有限公司的42BYG250C型两相混合式步进电机，步距角为0.9°/1.8°，电流1.5A。M1是横轴电机，带动机械手机构伸、缩；M2是纵轴电机，带动机械手机构上升、下降。所选用的步进电机驱动器是SH-20403型，该驱动器采用10～40V直流供电，H桥双极恒相电流驱动，最大3A的8种输出电流可选，最大64细分的7种细分模式可选，输入信号光电隔离，标准单脉冲接口，有脱机保持功能，半密闭式机壳可适应更恶劣的工况环境，提供节能的自动半电流方式。驱动器内部的开关电源设计，保证了驱动器可适应较宽的电压范围，用户可根据各自情况在10～40VDC之间选择。一般来说较高的额定电源电压有利于提高电机的高速力矩，但却会加大驱动器的损耗和温升。本驱动器最大输出电流值为3A/相(峰值)，通过驱动器面板上六位拨码开关的第5、6、7三位可组合出8种状态，对应8种输出电流，从0.9A到3A以配合不同的电机使用，
本驱动器可提供整步、改善半步、4细分、8细分、16细分、32细分和64细分7种运行模式，利用驱动器面板上六位拨码开关的第1、2、3三位可组合出不同的状态。
2. 伺服电机及其驱动器
机械手的旋转动作采用松下伺服电机A系列小惯量MSMA5AZA1G，其额定输出50W、100/200V共用，旋转编码器规格为增量式(脉冲数2500p/r、分辨率10000p/r、引出线11线）；有油封，无制动器，轴采用键槽连接。该电机采用松下公司独特算法，使速度频率响应提高2倍，达到500Hz ；定位超调整定时间缩短为以往松下伺服电机产品V系列的1/4。具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位，也可通过外接高精度的光栅尺，构成全闭环控制，进一步提高系统精度。具有常规自动增益调整和实时自动增益调整两种自动增益调整方式，还配有RS-485、RS-232C 通信口，使上位控制器可同时控制多达16个轴。伺服电机驱动器为A系列MSDA5A3A1A，适用于小惯量电动机。
3. 直流电机
可回旋360°的转盘机构有直流无刷电机带动，系统选用的是北京和时利公司生产的57BL1010H1无刷直流电机，其调速范围宽、低速力矩大、运行平稳、低噪音、效率高。无刷直流电机驱动器使用北京和时利公司生产的BL-0408驱动器，其采用24～48V直流供电，有起停及转向控制、过流、过压及堵转保护，且有故障报警输出、外部模拟量调速、制动快速停机等特点。
4. 旋转编码器
在可回旋360°的转盘机构上，安装有OMRON公司生产的E6A2增量型旋转编码器，编码器将信号传给PLC，实现转盘机构的精确定位。
5. PLC的选型
根据系统的设计要求，选用OMRON公司生产的CPM2A小型机。CPM2A在一个小巧的单元内综合有各种性能，包括同步脉冲控制、中断输入、脉冲输出、模拟量设定和时钟功能等。CPM2A的CPU单元又是一个独立单元，能处理广泛的机械控制应用问题，所以它是在设备内用作内装控制单元的理想产品。完整的通信功能保证了与个人计算机、其它OMRON PC和OMRON可编程终端的通信。这些通信能力使四轴联动简易机械手能方便的融合到工业控制系统中。
三 软件编程
1. 软件流程图
流程图是PLC程序设计的基础。只有设计出流程图，才可能顺利而便捷地编写出梯形图并写出语句表，最终完成程序的设计。所以写出流程图非常关键也是程序设计首先要做的任务。依据四轴联动简易机械手的控制要求，绘制流程图如图2所示。
2. 程序部分
由于论文篇幅有限，这里只列出了开始两段程序，供读者参阅，见图3。
四 结束语
在现代工业中, 生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。机械手系统是提高生产过程自动化水平的有效手段之一, 尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合, 应用得更为广泛。机械手是一种模仿人手动作, 并按设定程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或工具进行操作的自动化装置。本文设计了一种基于PLC控制的机械手系统, 在设计中通过PLC、触摸屏来实现对机械手系统的控制。
1 机械手系统结构及其工作过程
工业机械手由机械手手爪、X/Y轴丝杠组、旋转基座、转盘机构等组成, 如图1所示。
1—机械手手爪2—X/Y轴丝杠组3—旋转基座4—转盘机构
机械手系统能实现4个自由度运动, 即升降、伸缩、气动手指夹紧/松开和旋转的四维运动。机械手安装在步进电机传动组件上, 在传动组件的带动下整体作直线往复运动。
机械手工作过程为:当货物到达时, 传感器将接收到的信息反馈给PLC, PLC发出指令, 机械手系统开始工作;步进电机控制机械手往下运动, 正好到达抓取货物的方位处夹住货物;步进电机驱动机械手向前走, 使其整体运动, 转到货物接收处;到达指定位置后, 机械手松开货物;系统回位准备下一次动作。
2 机械手系统的工作原理
机械手控制系统由西门子触摸屏、机械手装置、步进电机及驱动器、CP5611通讯卡、西门子S7-200-CPU226型PLC及扩展模块组成。此操作系统通过人机界面监控机械手的状态实现对机械手的控制, 机械手与PLC之间通过组态软件实现信息的传输。本设计采用气动式机械手, 使用步进电机作为传动组件以拖动机械手运动, 完成精确定位的功能。机械手系统工作原理如图2所示。
3 机械手系统硬件设计
根据系统的设计要求, 选用西门子S7-200-CPU226型PLC。S7-200系列PLC具有逻辑控制、闭环控制、数据处理、通信联网等功能, 广泛应用于钢铁、造纸、食品加工、化工、电力、汽车等工业生产领域。PLC可以完成各种各样的控制任务, 实现对设备的检测、监控及自动化控制。例如, PLC既可以对单台设备进行控制, 也可以对一条生产线或全部工艺过程进行控制。
机械手X/Y轴丝杠组采用Kinco的步进电机, 步距角1.8°, 带动机械手上升、下降、左右移动。机械手的旋转动作采用松下A系列MSMA5AZA1G小惯量伺服电机, 具有共振抑制功能、控制功能、全闭环控制功能, 可弥补机械的刚性不足, 从而实现高速定位。此外, 伺服电机还配有RS-485、RS-232通信口来实现上位机控制。在可回旋360°的转盘机构上安装有旋转编码器 (旋转编码器规格为增量式) , 编码器将信号传给PLC, 实现转盘机构的精确定位。
4 机械手系统程序设计
流程图是PLC程序设计的基础。设计出流程图才能顺利地编写出梯形图及语句表, 最终完成程序的设计。所以, 写出流程图是程序设计的首要任务。依据机械手控制要求绘制的流程图如图3所示。
5 人机界面设计
(1) 人机界面 (Human Machine Interface, 简称HMI) 又称为人机接口, 泛指计算机与操作人员交换信息的设备。人机界面装置是操作人员与PLC之间双向沟通的桥梁, 它以图像形式显示所连接的PLC操作状态、当前过程数据及故障信息, 并接收操作人员发出的各种命令和设置的参数, 同时将其传送到PLC上。操作人员可使用人机界面装置方便地操作和观测正在监控的设备或系统。通过触摸屏操作, 用手指触摸屏幕上的图形对象, 计算机便会执行相应的操作, 人和机器间的交流变得直接。操作人员还可以用触摸屏上的文字、按钮、图形和数字来处理或监控不断变化的信息。
(2) 触摸屏与PLC的RS-232接口相连, 可以采用MPI或Profibus-DP方式进行通信。在本设计中, 采用的是MPI通信, 通过PLC以变量方式进行操作单元与机械设备或过程之间的通信。变量值写入PLC的存储区域, 由操作单元从该区域读取。另外, 触摸屏采用组态王软件, 提供系统的操作平台, 能够完成数据采集、实时处理及流程监控等功能。
(3) 上位机控制系统由系统运行状态监控模块、系统参数设置模块和故障记录查询模块组成。这3个模块共同实现了上位机控制系统对整个机械手控制系统的监测与控制功能。下面分别对这3个模块进行简单说明:1) 运行状态监控模块:包括机械手启动、运行状态显示及手动/自动的切换。2) 系统参数设置模块:系统中设有参数设置按钮, 点击按钮将会进入到系统参数设定模块, 文本框可以输入相应的各种参数。点击保存后, 系统会把设定的参数送入下位机。3) 故障记录查询模块:用于故障记录的存储及查询。
6 结语
机械手的各个动作和状态都由PLC控制, 不仅能满足机械手手动、半自动、自动等操作方式所需大量按钮、开关、位置检测点的要求, 更可通过触摸屏等接口元件与计算机组成PLC工业局域网, 实现网络通信与网络控制。因此, 基于PLC的机械手系统能方便地应用到工业生产流水线中。
摘要：对一种基于PLC控制的机械手系统进行了设计和研究, 介绍了机械手系统的结构、工作过程、原理及硬件、程序、人机界面设计。
关键词：机械手,PLC,人机界面
参考文献
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[4]鲍燕伟, 吴玉兰.一种通用气动机械手的控制设计[J].机床与液压, 2006 (9)
关键词：PLC；焊接机械手；控制系统
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）14-0016-02
随着自动化控制技术的飞速发展，机械手在很多环境下能准确完成预期的工作并能模拟人的适应性，这使得机械手的应用越来越广泛。焊接是装备制造业中最为常用的加工方法之一，由于焊接加工产生的烟气与火花使得工作环境比较恶劣，为了尽量减少环境条件对人身造成的伤害，设计了一种PLC控制的焊接机械手，专用于某建筑机械厂塔吊构件的焊接加工，提高了焊接车间自动化程度，减少了环境对人体的伤害。该焊接机械手因具有作用灵活方便与价格便宜等优点具有较好应用价值。
1 机械手的现状和发展
因机械手能够在有毒、有害、危险、高热和低温等恶劣条件中的工作进行替代，对人的一些单调重复、繁重劳动进行代替，从而大大提高劳动生产率，进一步提升产品质量。我国机械手的应用是从20世纪70年代开始的，经过30多年的发展，机械加工、焊接、装配、上下料、搬运及喷漆、医疗等行业均有机械手的应用。目前主要集中在制造业，尤其是通用机械、汽车、电器制造以及加工金属和塑料等工业。计算机集成制造系统和柔性制造系统的构成，使生产自动化得以实现。
随着生产自动化的持续发展，网络技术、激光技术、传感技术、机器人的智能水平及机械手的发展领域都得到了极大的提高和扩展，众多领域越来越离不开机械手。随着机械手的性能、质量的加强，其已由传统的汽车制造领域向外进一步扩展延伸，高质量的机械手与较低的运行成本，必将使机械手在各个领域中得到极为广泛的应用。
2 设计选择PLC机型的原则
2.1 满足控制功能的要求
PLC在控制功能方面主要考虑的是逻辑运算、算术运算、定时、计数等功能要求，是否要有模拟量的输入与输出功能要求，在考虑输入与输出点数的要求时应该留有余量以备用。另外还要考虑是用晶体管输出型还用继电器输出型，是否要具备网络通信功能等。
2.2 安装方式要适合
PLC多台联网的分布式、远程I/O式、集中式是安装PLC系统的三种方式。
对于大型系统来讲，远程I/O式是一种比较适合的方式，它具有分布范围广的特点，远程I/O可以在现场装置附近分散安装，它不需要太长的连线，然而远程I/O电源和驱动器需要加以增加设置；不需要对驱动远程I/O硬件进行设置的是集中式，这个系统的特点是具有快捷的反应、低廉的成本；多台PLC联网的分布式常常适合应用于多台设备之间相互联系，但又能够各自独立进行控制的场合。
降低成本对于工厂小批量生产是非常重要的，所以集中式的安装方式是此系统的较好选择。
2.3 结构型式要合理
整体式和模块式是主要的两种PLC的结构型式：
在平均价格上每一个在PLC整体式上的I/O点与模块式比较要低很多，而且它还有另外一个特点，就是它的体积较小，通常在小型控制系统中大为推广；而PLC模块式具有非常优越的功能特点，它在进行扩展的时候灵活方便，具有较大的选择余地，且维修起来非常方便，在纷乱繁琐的控制系统中得以大量应用。
3 机械手控制要求与PLC的选用
考虑到本PLC控制机械手的特定控制要求，需要实现同一平面内X轴方向与Y轴方向的直线焊接与同一平面内的圆弧焊接功能。输入主要有X轴方向焊接选择、Y轴方向焊接选择、圆弧焊接选择、启动按钮、停止按钮、限位开关与位置检测传感器，输出主要通过中间继电器隔离后再控制电磁阀驱动机械手的各个气缸运动。本系统中用五个气缸分别用于机械手的X轴方向移动、Y轴方向移动、旋转运行、机械手升降移动、手爪夹紧控制。根据机械手的控制要求及PLC的性能特点，选择西门S7-200 PLC，CPU为226AC/DC/RLY，有24点输入与16点继电器输出即可满足控制要求。
4 气动控制回路设计
根据机械手的控制要求，五个气动缸的气动控制回路如图1所示，在每个气缸的进气与出气管均安装有节流阀，可调整气流的大小，达到气缸移动与旋转速度的调节
作用。
5 PLC的I/O地址分配
根据机械手输入/输出点数，为了方便PLC的外部接线及程序设计，将PLC的I/O地址分配如表1所示：
6 PLC外部接线图
根据PLC的I/O地址分配表，设计如图2所示的PLC外部接线图：
7 程序设计与调试
焊接机械手的程序设计思路，首先是检测机械手是否在原点位置，正常则常亮，否则故障指示灯按1Hz频率闪烁。然后根据X轴焊、Y轴焊、圆弧焊的选择情况，按下启动按钮即进行焊接加工，按下停止按钮时暂停焊接，再次按下启动时接着焊接，直到焊接完成为止。在加工过程中按下急停按钮，机械手立即停止，自动反回原点位置。由于同一批工件的焊接行程是一致的，在调试过程中应先根据焊接行程调整好气缸行程的检测传感器位置然后固定好传感器。
8 结语
经过对焊接机械手在某建筑机械厂进行现场调试，本系统控制的焊接机械手能够完成预定的功能，能在恶劣环境下代替人工操作，大大地提高了生产效率，节约了人力成本，具有很大的实用价值。
参考文献
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作者简介：谢祥强（1973—），男，广西岑溪人，广西电力职业技术学院讲师，工程硕士，研究方向：数控机床、电气控制技术。
机电一体化
学 生 姓 名：
学 号：
指 导 教 师：
完 成 日 期： 2011.3.15
目录
摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅱ 1 2 3
绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 机械手设计要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1 机械手总体设计方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
3.1 机械手的组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
3.1.1 执行机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
3.1.2 驱动机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
3.1.3 控制机构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
3.2机械手在生产中的应用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
3.3 机械手的主要特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
3.4机械手的技术发展方向„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
3.5机械手坐标形式与自由度选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
3.5.1 机械手坐标形式选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3
3.5.2 机械手自由度选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
3.6 3.7 机械手的规格参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 机械手手部设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5
3.7.1 手部设计基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5
3.7.2 手部力学分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5
3.7.3 夹紧力与驱动力的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7
3.7.4 手抓夹持范围计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9
3.7.5 手抓夹持精度的分析计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
3.8 机械手腕部设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
3.8.1 腕部设计基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
3.8.2 腕部的结构选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12
3.8.3 腕部回转力矩计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12
3.8.4 腕部工作压力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14
3.8.5 液压缸盖螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15
3.8.6 动片和输出轴联接螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„„16
3.9 机械手臂部设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17-III-
3.9.1 臂部设计的基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17
3.9.2 臂部的结构选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17
3.9.3 手臂伸缩驱动力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18
3.9.4 手臂伸缩液压缸参数计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„19
3.10 机身升降机构计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21
3.10.1 手臂偏重力矩计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21
3.10.2 升降导向立柱不自锁条件„„„„„„„„„„„„„„„„„22
3.10.3 手臂升降驱动力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23
3.10.4 手臂升降液压缸参数计算„„„„„„„„„„„„„„„„„24
3.11 机身回转机构计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25
3.11.1 手臂回转液压缸驱动力矩计算„„„„„„„„„„„„„„„25
3.11.2 手臂回转液压缸参数计算„„„„„„„„„„„„„„„„„26
3.11.3 液压缸盖螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27
3.11.4 动片和输出轴联接螺钉计算„„„„„„„„„„„„„„„„28 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31
绪论
机械手结构优化设计
摘 要
在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大的改善了工人的劳动条件，显 著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，本设计通过对机械 手各主要组成部分（手部、手腕、手臂和机身等）分析，从而确定各主要组成部分的 结构，在此基础上对机械手进行设计计算，从而确定装配总图。通过此次机械手设计，掌握相关机械手设计的主要步骤，对于 CAD/CAM 软件应用方面有了进一步的提高。
关键词：机械手，设计，手部，手腕，手臂，机身，结构
工业机械手设计是机械制造、机械设计等方面的一个重要的教学环节，是学完技 术基础课及有关专业课以后的一次综合设计，通过这一环节把有关课程中所获得的理 论知识在实际中综合的加以应用，使这此知识能够得到巩固和发展，并使理论知识和 生产密切的结合起来，通过设计培养学生独立思考能力树立正确的设计思想，掌握机 械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的基础。机械手设计要求
要求本设计能鲜明体现设计构思，并在规定的时间内完成以下工作：
（1）拟定机械手的整体设计方案，特别是机械手各主要组成部分的方案。
（2）根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结构。
（3）各主要部件（手部、腕部、臂部）的设计计算。
（4）工业机械手装配图的绘制。
（5）编写设计计算说明书。机械手总体设计方案
3．1 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
3．1．1 执行机构
（1）手部 即直接与工件接触的部分，一般是回转型或平移型，（多为回转型，因其结构简单），手部多为二指（也由多指），根据需要分为外抓式和内抓式两种，也可以用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。传力机构形式也很多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠 螺母式、弹簧式、重力式。
（2）腕部 是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位，以扩大机 械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑、灵巧，但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。
（3）手臂
是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动，它的主要作用是带动手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一般手臂 需要三个给定自由度才能满足要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。
（4）行走机构
3．1．2 驱动机构 驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气动、液 压、电动和机械式四种。采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力大，尺寸紧 凑，控制方便。
3．1．3 控制机构 在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动控制，也有用 PLC 进行控制，主要控制的是坐标位置。有的工业机械手带有行走机构，我国正处于仿真阶段。
3．2 机械手在生产中的作用
机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下几个方面：（1）（2）建造旋转体零件（轴类、盘类、环类）自动线。在实现单机自动化方面：
a 各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，仍需人工 上下料，装上机械手，可实现自动生产，一人看管多台机床。b 注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装卸工 件，可实现自动生产。c 冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动化。
3．3 机械手的主要特点
（1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对人类 有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当的材料和 结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。
（2）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大和 延伸人的功能。
（3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人 为的操作错误。
（4）机械手通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足柔性 生产的需要。
（5）采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。
3．4 机械手的技术发展方向
国内外使用的实际上是定位控制机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓取的工件 进行分辨，选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器中定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由视觉 传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否是所要抓 取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种方法： 一种是检测把握物体手臂的变形，以选择适当的能力，另一种是直接检测指部与物件 的滑落位移，来修正握力。因此这种机械手具有以下几方面的性能：
（1）能准确的抓住方位变化的物体。
（2）能判断对象的重量。
（3）能自动避开障碍物。
（4）抓空或抓力不足时能检测出来。
这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手，它
是有发展前途的。现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，代替人从事 繁重、危险的工作，在恶劣环境下尤其明显，至于在汽车业和电子工业之类的费工的 工业部门，机械手的应用情况不能说是很好的，原因之一是，工业机械手的性能还不 能满足这些工业部门的要求，适合机械手工作的范围很狭小，另外经济性问题也很重 要，利用机械手节约人力从经济上看不一定总是合算的。然而利用机械手实现生产合 理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价格方面存在的问题获得解决，机 械手的应用必将飞跃发展。
3．5 机械手坐标形式与自由度的选择
3．5．1 机械手坐标形式选择
机械手一般包括圆柱坐标式、球坐标式、直角坐标式、多关节式。直角坐标式机 械手，占用空间大，工作范围小，惯性大，一般不多用，只有在自由度较少时才考虑 用。圆柱坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。多关节式机 械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体，但多关节式结构复杂，所以也不多用。球坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，所需动力小，能抓取底面物体。由以上叙述可以看出圆柱坐标式和球坐标式比较适合，但由于圆柱坐标式比球坐 标式在结构方面简单一些，所以最后决定选择圆柱坐标式机械手。
3．5．2 机械手自由度选择
3．6 机械手的规格参数
抓重：300N 手臂运动参数： 自由度：4 个 坐标形式：圆柱坐标式
伸缩行程（X）：400mm 伸缩速度： 升降速度： 回转范围： 回转速度： 手腕运动参数： 回转范围： 回转速度： 位置检测： 驱动方式： 控制方式： 0°~180°
重复定位精度：3mm
3．7 手部设计基本要求
3．7．1 手部设计基本要求
（1）应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动 机构所需的驱动力大小是不同的。
（2）手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。
（3）在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减 轻手臂负载。
（4）应保证手抓的夹持精度。
3．7．2 手部力学分析 通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧装置 采用常开式夹紧装置，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧被压缩，从而手抓张开。下面对其结构进行力学分析： 在杠杆 3 的作用下，销轴 2 向上的拉力为 F，并通过销轴中心 O 点，两手指的滑 槽对销轴的反作用力为 F1 和 F2 其力的方向垂直于滑槽的中心线 OO1 和 OO2 并指向 O 点，交 F1 和 F2 的延长线于 A 和 B。又因为 所以a ——— 手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）α——— 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角 由分析可知，当驱动力 F 一定时，α角增大，则握力 FN 也随之增大，但α角过 大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α=30o~40o。
3．7．3 夹紧力与驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据，必须以其大小，方向与作用 点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运 动状态变化所产生动的载荷，以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算： 2—— 销轴 3—— 杠杆式中K1——安全系数，通常 1.2~2.0； K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按 K2=1+a/g,其中 a 是重力方向的最大上升加速度，a=Vmax /t 响，g 是重力加速度，g=9.8m/s2。Vmax——运载时工件最大上升速度； t 响——系统达支最高速度的时间，一般选取 0.03~0.5； K3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择； G——被抓取工件所受重力； 表 1 驱动力与液压缸工件压力关系图
作用在活塞上外力 F(N)50000 2.0~4.0 4.0~5.0 5.0~8.0
液压缸工件压力 MPa
液压缸工作压力 MPa
设 a=40mm,b=80mm,α=30o,机械手达到最高响应时间 0.5s,夹紧力 FN,驱动力 F 和驱动 液压缸的尺寸。（1）设 K1=1.6 K2=1+a/g 设 Vmax=70mm/s t 响=0.5s 根据以上公式得：
（2）根据驱动力公式得：
由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率η，一般取η =0.85~0.9。
（3）取 η=0.85
（4）确定液压缸的直径 D
选取活塞直径 d=0.5D,选择液压缸工作压力 P=0.8~1Mpa.所以
根据液压缸内径系列（JB826-66）,选取液压缸的内径为：D=50mm 则活塞杆直径为：d=0.5D=0.5×5=25mm.所以手部夹紧液压缸的主要参数为：
液压缸内径 D 50mm 活塞杆直径 d 25mm 工作压力 p 0.8MPa 驱动力 F 859.06N
3.7.4 手抓夹持范围计算
为了保证手抓张开角为 120o，设手抓长为 100mm，当手抓没有张开角的时候，根 据机构设计，它的最小夹持半径 Rmin=40mm,当张开角为 120o 时，根据双支点回转型 手抓的误差分析，取最大夹持半径 Rmax=60mm。所以机械手的夹持半径为 40~60mm。3．7．5 手抓夹持精度的分析计算 机械手的精度设计要求工件
定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动稳定性 好，并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取 决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也与机械手夹持误 差大小有关，特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内 的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持半径为 40~60mm,一般夹持误差不超过 1mm,分析如下： 工件的平均半径： 手抓长 L=100mm,取Ｖ型夹角 2θ=120 偏转角β按最佳偏转角确定： 计算得 式中 因为
Ro——理论平均半径 Rmax>Ro>Rmin
所以
△=0.939
夹持误差满足设计要求。
3．8 机械手腕部设计计算
3．8．1 腕部设计的基本要求
（1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，显然，腕部的 结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能，因此，在腕部设 计时，必须力求结构紧凑，重量轻。
（2）结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的联接。
（3）工作条件 对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环 境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因 素。
3．8．2 腕部的结构选择 腕部的结构有四种，分别为：
（1）具有一个自由度的回转缸驱动腕部结构 直接用回转液压缸驱动，实现腕部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而 被广泛使用。
（2）用齿条活塞驱动的腕部结构 在要求回转角大于 270o 的情况下，可采用齿条活塞驱动腕部结构。
（3）具有两个自由度的回转缸驱动腕部结构 它使腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度。
（4）机—液结合的腕部结构 此手腕具有传动简单、轻巧等特点，但结构有点复杂。本设计要求手腕回转 180o，综合以上分析考虑，腕部结构选择具有一个自由度的回转 缸驱动腕部结构。3．8．3 腕部回转力的计算 腕部在回转时一般需要克服以下三种阻力：
（1）腕部回转支承处的摩擦力矩 M 摩 为简化计算，一般取 M 摩=0.1M 总力矩
（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 M 偏式中G1——夹持工件重量（N）。e——工件重心到手腕回转轴线的垂直距离（m）。
（3）克服启动惯性所需的力矩 M 惯 启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度ω及启动所需时间 t 启，按下式计 算：或者根据腕部角速度ω及启动过程转过的角度φ启计算：
式中 J 工件——工件对手腕回转轴线的转动惯量（N.m.s2）。J—— 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量（N.m.s2）。ω—— 手腕回转过程的角速度（rad/s）。t 启——启动过程中所需时间，一般取 0.05~0.3s。φ启——启动过程所转过的角度（rad）。手腕回转所需的总的阻力矩相当于上述三项之和，即：设抓取一根轴，其直径 D=100mm,长度 l=500mm,m1=50kg,当手抓夹持在工件中间位 置回转 180o，将手抓、手抓驱动液压缸和回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，长 h=150mm,半径为 50mm，其所受重力为 G，启动过程所转过的角度φ启=0.314rad,等速 转动角速度ω=2.616rad/s。圆柱体重力 因为手抓夹持在工件中间位置，所以工件重心到手腕回转轴线的垂直距离为 0，即 e 等于 0，所以 M 偏=G1e=0。由于又因为 所以即 3．8．4 腕部工作压力计算 表 2 标准液压缸内径系列（JB826-66）20 70 110 25 75 125 32 80 130 40 85 140 50 90 160 55 95 180 63 100 200 65 105 250
设定腕部的部分尺寸： 根据上表设缸体内孔半径 R=55 mm,外径选择 133mm,考虑到实 际装配问题后，其外径为 180mm，动片宽度 b=66mm,输出轴半径 r=22.5mm。表 3 标准液压缸外径系列（JB1068-67）液压缸内径 20 钢 P≤160MPa 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200
168 146 180 194 219 245
钢 P≤200 MPa 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 由于实际回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩 M 总力矩，即：
式中 M 总力矩——手腕回转时的总的阻力矩（N.m）P——回转液压缸工作压力（Mpa）R——缸体内孔半径（mm）r——输出轴半径（mm）b——动片宽度（mm）所以 所以腕部回转液压缸主要参数为： 工作压力 P 1MPa 缸体内径 R 110mm 输出轴半径 r 22.5mm 回转力矩 M 13.1N.m 动片宽度 b 66mm
3．8．5 液压缸盖螺钉计算 表 4 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系 工作压力 P（MPa）0.5~1.5 1.5~2.5 2.5~5.0 5.0~10.0 螺钉的间距 t(mm)
直径（mm）FQs´——动片和输出轴间联接螺钉的预紧力（N）b——动片宽度（mm）P——回转液压缸工作压力（Pa）螺钉的强度条件为：螺钉材料选择 Q235,取σs=240MPa,则即动片和输出轴间联接螺钉的直径选择 d1=6mm,选择 M6 的开槽盘头螺钉。式中［σ］——螺钉材料的许用拉应力（MPa）d 1——螺钉的直径（mm）
3．9 机械手臂部设计计算
3．9．1 臂部设计的基本要求
（1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻
（2）臂部运动速度要高，惯性要小
（3）手臂动作应该灵活
（4）位置精度要高 3．9．2 臂部的结构选择 常见的手臂伸缩机构由以下五种：
（1）双导向杆手臂伸缩机构手臂的伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆均受拉 压，故受力简单传动平稳。
（2）双层液压缸空心活塞杆单杆导向机构 其特点是工作液压缸容积小、运动速度快、外形整齐、活塞杆直径大、增加 手臂刚性。
（3）采用花键套导向的手臂升降机构 内部导向，活塞杆直径大、刚度大、传动平稳，花键轴端部的定位装置值得注 意，必须保证手臂安装在正确的初始设计位置上。
（4）双活塞杆液压缸结构 活塞杆速度先慢后快，是用短液压缸实现大行程的结构。
（5）活塞杆和齿轮齿条机构 手臂的回转运动是通过齿轮齿条机构实现的，齿条的往复运动带动与手臂联接 的齿轮做往复回转而使手臂左右摆动。通过以上，综合考虑，本设计选择双向导向杆手臂伸缩机构，使用液压驱动，液 压缸选取双作用液压缸。3．9．3 手臂伸缩驱动力计算 伸缩液压缸活塞驱动力的计算公式为： F 驱=F 摩+F 密+F 回+F 惯 式中 F 摩——手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。F 密——密封装置处的摩擦阻力。F 回——液压缸回油腔低压油液所造成的摩擦阻力。F 惯——启动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。
（1）F 摩的计算 经计算 式中 G 总——参与运动的零部件所受的总重量（N）。L——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑前端的距离（mm）a—— 导向支撑的长度（mm）μ´——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面形状有关。对于圆柱面：μ——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时： 钢对青铜：取
μ=0.1~0.15 钢对铸铁：取μ=0.18~0.3 计算： 导向杆的材料选择钢、导向支撑选择铸铁，L=700mm,导向支撑 a=420mm,带入数据得：
（2）F 惯的计算 经计算
式中Δv——由静止加速到常速的变化量（mm/s）。Δt——启动过程时间（t），一般取 0.01s~0.5s。手臂启动速度Δv=83mm/s,启动时间Δ
t=0.02s,g=9.8N/kg,带入数据得：
（3）F 密的计算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密
封圈，当液压缸工作压 力小于 10MPa 时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：F 密=0.03F 驱
（4）F 回的计算 一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，液压缸的驱动力为： F 驱=F 摩+F 密+F 回+F 惯=3640+0.03 F 驱
+338.8 所以手臂伸缩驱动力 F 驱= 4102N 3．9．4 手臂伸缩液压缸参数计算 经过上面计算，确定了液压缸的驱动力 F P=1MPa。
（1）液压缸内径计算
驱= 4102N，因此选择液压缸的工作压力当油进入无杆腔： 当油进入有杆腔： 所以式中 F 驱—— 手臂伸缩液压缸驱动力（N）
D ——液压缸内径（mm）d——活塞杆直径（mm）η——液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.95 P1——液压缸的工作压力（MPa）带入数据得： 根据液压缸内径系列（JB826-66）,选取液压缸的内径为：D=80mm
（2）活塞杆直径计算 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求，对于杆长 l 大于 直径 15 倍（l>15d）的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径 d 按拉压强度计算：
设活塞杆材料为碳钢，碳钢［σ］=100~120 MPa,取［σ］=100 MPa 即 表 5 活塞杆直径系列（JB826-66）18 40 75 5 20 45 80 5 22 50 85 8 25 55 90 10 28 60 95 12 30 63 14 32 65 16 35 70
根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径 d=8mm。所以手臂伸缩液压缸主要参数为：液压缸内径 D 80mm 工作压力 P 1MPa 活塞杆直径 d 8mm 驱动力 F 4720N
3．10 机身升降机构计算
3．10．1 手臂偏重力矩的计算
图 5 手臂各部件重心位置图 设 所以 设
所以偏转力矩 式中ρ——重心到回转轴线的距离(mm)3．10．2 升降导向立柱不自锁条件 手臂在 G 总的作用下有向下的趋势，而立柱导套则防止这种趋势。由力平衡条件得：
所谓不自锁条件为：
即因此在设计中必须考虑到立柱导套长度大于 391mm。式中 f——摩擦系数 h——立柱导套的长度 3．10．3 手臂升降驱动力的计算 由手臂升降驱动力的公式得： F 驱=F 摩+F 密+F 回+F 惯±G 总
（1）F 摩的计算
所以
（2）F 惯的计算 经计算 式中Δv——由静止加速到常速的变化量(mm/s)。Δt——启动过程时间(t),一般取 0.01s~0.5s。
手臂启动速度Δv=83mm/s,启动时间Δt=0.02s,g=9.8N/kg,带入数据得：
（3）F 密的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用 O 型密封圈，当液压缸工 作压力小于 10MPa 时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：F 密=0.03F 驱
（4）F 回的计算 一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，液压缸的驱动力为：所以当液压缸向上驱动时 当液压缸向下驱动时
3．10．4 手臂升降液压缸参数计算 经过上面计算，确定了液压缸的驱动力 F 驱，因此选择液压缸的工作压力 P=1MPa,为 了满足要求，此时取 F 驱=1999.2N 进行计算。
（1）液压缸内径计算：当油进入无杆腔：当油进入有杆腔：液压缸的有效面积：所以式中 F 驱——手臂升降液压缸驱动力(N)D——液压缸内径(mm)d——活塞杆直径(mm)η——液压缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.95 P1——液压缸的工作压力(MPa)带入数据得： 根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：D=55mm
（2）活塞杆直径计算 活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求，对于杆长 l 大于直 径 15 倍（l>15d）的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径 d 按拉压强度计算：设活塞杆材料为碳钢，碳钢［σ］=100MPa 即根据活塞杆直径系列（JB826-66）选取活塞杆直径 d=6mm 所以手臂升降液压缸主要参数为：工作压力 P 1MPa 液压缸内径 D 55mm 活塞杆直径 d 6mm 驱动力 F 1999.2N
3．11 机身回转机构的计算
3．11．1 手臂回转液压缸驱动力矩计算 手臂回转液压缸驱动力矩
（1）M 惯的计算 回转部件可以等效一个高 1500mm,半径为 60mm 的圆柱体，圆柱体重量为 G 总=800N，M 驱=M 惯+M 密+M 回设启动角速度
Δω=0.314rad/s,启动时间Δt=0.1s。所以
（2）M 密与 M 回的计算 为了计算方便，密封处的摩擦阻力矩 M 密=0.03M 驱，由于回油背差一般非常的小，故 在这里忽略不计，即 M 回=0。因此 3．11．2 手臂回转液压缸参数计算 设 b=60mm,液压缸工作压力 P=4MPa,d=50mm,则由 得 所以取液压缸内径为 140mm 式中 D——液压缸内径(mm)P——回转液压缸工作压力(MPa)b——动片宽度(mm)d——输出轴与动片联接处的直径(mm)所以手臂回转液压缸主要参数为：
工作压力 P 4MPa
液压缸内径 D 140mm
动片宽度 b 60mm
输出轴直径 d 50mm
驱动力矩 M 476N.m
3．11．3 液压缸盖螺钉计算 由表 4 可以看出螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系： T 为螺钉的间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为： FQs=FQ+ FQs FQ 为工作载荷，FQs为预紧力 液压缸工作压力为 P=4MPa,所以螺钉间距 t 小于 100mm,试选择 8 个螺钉所以选择螺钉数目合适 Z=8 个，危险截面面积所以 螺钉的强度条件为：式中 D——动片外径(mm)［σ］——螺钉材料的许用应力(MPa)d 1——螺钉螺纹内径(mm)螺钉材料选择 Q235，取σs=240MPa,则即螺钉的直径选择 d1=14mm 经过以上的计算，需要螺钉来联接，最终确定液压缸的截面尺寸，内径为 140mm,外 径为 240mm，输出轴直径为 50mm。3．11．4 动片和输出轴之间的联接螺钉由得式中 f——被联接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取 f=0.15 D——动片外径(mm)d——动片与输出轴配合处直径(mm)FQs——动片和输出轴间联接螺钉的预紧力(N)b——动片宽度(mm)P——回转液压缸工作压力(Pa)
结论
通过此次毕业设计，使我了解了机械手的很多相关知识，使我了解了当前国内外 在此方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手 的结构设计作了系统的分析，掌握了一定的机械设计方面的知识，为以后的工作学习奠定了基础。本次毕业设计只是对机械手的手部、腕部、臂部以及机身做了系统的设计计算，设计中没有涉及到机械手的控制问题，对这方面有点模糊，需要在以后的工作学习中 了解和掌握，由于经验知识水平的局限，设计难免有不到之处，望老师见量、指正。
致谢
非常感谢学院领导和老师给我提供了这次良好的深入学习的机会和宽松的学习环境，通过这次毕业设计，不但使我将大学期间所学的专业知识再次回顾学习，而且 也使我学到了专业领域中一些前沿的知识。非常感谢在本次设计中曾给予我耐心指导 和亲切关怀的老师以及帮助过我的同学，正是由于他们的帮助和鼓励才使我能够在毕 业设计过程中克服种种困难，最终顺利完成论文，他们的学识和为人也深深地影响着 我，在此，请允许我再次向曾经给予我多次指导的导师表示最忠诚的敬意！
–30–
参 考 文 献
[1]李允文.工业机械手设计.北京：机械工业出版社，1994
[2]陆祥生.机械手－理论与应用.北京：中国铁道出版社,1985
[3]徐濒主.机械设计手册第五卷.北京：机械工业出版社，1992
[4]张建民.工业机器人.北京：北京理工大学出版社，1988
[5]蔡自兴.机器人原理及其应用.长沙：中南工业大学出版社，1988
[6]冯香峰.机器人机构学.北京：机械工业出版社，1991
[7]工业机械手图册编写组.工业机械手图册.北京：机械工业出版社，1978
[8]天津大学编.工业机械手设计基础.天津：天津人民出版社，1980
[9]陈明.机械制造工艺学.北京：机械工业出版社，2005
[10]孙恒 陈作模 葛文杰.机械原理.北京：高等教育出版社，2006
[11]周伯英.工业机器人设计.北京：机械工业出版社，1995
[12]龚振帮.机器人机械设计.北京：电子工业出版社，1995
在技术的运用过程中，先有指导全局的文件，然后再有后期的文件(技术的预防措施)，针对企业目标，按照原理图的要求与指导，控制好整个技术在运用的过程中的方向，避免工作人员对技术的误解从而产生误差。在原理图确定之前，由技术人员小组对原理图进行分析和筹划，确保原理图的准确性。前期需要了解和分析电路图，然后依次对图表中的设备进行检查，关键位置需要仔细检测，在检查过程中也需要有小组实施监督。电路图的绘制需要专业人员参与，以保证实施目标的正确性，具体的电路设备识别也是至关重要的，首先看清电路的各种装置，工作人员在实际操作中要先了解设备的前后顺序，杜绝工作人员找不到机器设备的小错误。一般设备事先都设置了保护装置，电路的高危险性时刻提醒着工作人员任务的艰巨，电源的供电设备也不能被忽视，电源的完好是整个机械电气装置的前提。
3.2PLC控制系统的实例分析
此部分为实例分析，选用的是煤炭分装器，详细说明了一下该系统的作用。煤炭分装器是由导料摆板、气动系统、拦包机等构成，每个部分的特定功能都是分开工作的，而且煤炭分装器上设有多组光电感应器，运用PLC控制系统对煤炭进入分装箱的时间进行隔断计算，实现煤炭分装器的精准化和智能可操作性，每个部分发挥着各自的作用，整体的机械电气控制系统才能正常运行。精准化的操作让以往的技术变得落后，传统的技术在机械电气控制装置中难以保证工作进展速度，煤炭企业只有提高了分装器的阶层，才能提高生产的安全系数，总体水平才会有所提升。与此同时，PLC控制系统附带有智能化的设备，若是在分装的过程中出现了堵塞的状况，系统会第一时间断开电源，确保生产上的安全性。
3.3PLC控制系统的设计与选择
PLC控制系统的设计包括通信网络设计和接地设计，通信网络设计又涵盖了通信网络和控制网络，共同实现系统的通信网络设计工作;接地设计是系统的安全保障，地面的电路系统不稳定，需要设置为分散的控制系统，减少对机械的危害。
4结束语
PLC控制技术是一项领先技术，应用于机械电气控制装置，在使用的过程中加强对装置的使用频率。同时与其他技术的结合，既有助于生产，又使这项技术的发展体系变得完善，也有利于企业理清产业结构。PLC技术减少了生产成本，将在未来的工业发展市场中占据一席之地。
参考文献：
[1]苏洁.机械电气控制装置PLC技术的应用研究[J].南方农机,,49(17):175.
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[3]解再平.机械电气控制装置PLC技术的应用[J].机械管理开发,2018,33(2):140-141.
录.....................................................................................................................................................I I
1、引言...........................................................................................................................................1
2、系统总体方案设计..........................................................................................................................2 2.1机械手系统硬件配置及组成原理....................................................................................................2 2.2有关机械手的 I/O系统变量定义及分配表...................................................................................6
3、控制系统设计................................................................................................................................7 3.1控制程序总流程图..........................................................................................................................7 3.2控制程序设计思路..........................................................................................................................8 3.3创新设计内容..................................................................................................................................9
4、上位监控系统设计..........................................................................................................................9
5、程序调试.....................................................................................................................................11 5.1调试设备...................................................................................................................................11 5.2遇到的问题与解决方法...........................................................................................................11
6、心得体会.......................................................................................................................................12附录 1 参考文献.............................................................................................................................13附录 2 程序清单.............................................................................................................................14 PLC 技术与工程应用课程设计
1、引 言
在现代工业中,生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现 代化的进一步发展 , 自动化已经成为现代企业中的重要支柱 , 无人车间、无人生产流 水线等等,已经随处可见。同时,现代生产中,存在着各种各样的生产环境,如 高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等,这些恶劣的生产环境 不利于人工进行操作。
机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域, 是一门跨学科综合技术。,是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物, 并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。机械手是提高生产过程 自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。在我国,近几年来也有较快的发展,并取得一定的效果,受到机械工业和铁路工业部门的重 视。
机械手的种类,按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手;按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种;按运动轨迹控制方式可分为点 位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上 装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等,一般没有独立的控制装置。有些操 作装置需要由人直接操纵,如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常 称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力,改 善热、累等劳动条件。
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机 械手。
随着人类的发展、文明的进步,工业正不断发展着,需要人们完成的工作量 也不断增大(尤其是那种重复性大的工作, 像传运货物 , 涉及到危险性的工作也 日趋增多, 这就迫使人们研究开发一种新装置, 能模仿人手和臂的某些动作功能, 用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作的一种装置,而机械手正 是这样一种
装置:它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有 害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和 原子能等部门。
2、系统总体方案设计
2.1机械手系统硬件配置及组成原理 <一 > 输入、输出驱动单元
该设备四自由度动作由四台直流电动机驱动, 每台电动机可进行正反转运行。左右摆动由齿轮组啮合实现减速传动;伸出与退回、上下移动由直流减速电机驱 动丝杠--螺母结构完成;机械手指的夹紧与张开由直流减速电机驱动连杆结构实 现。该设备共有 8个动作,由控制器输出信号驱动。
每个自由度运行极限位置设置了两个行程开关, 用于判断当前动作是否到位。该设备共有 8个行程开关作为控制器的输入信号。
机械手实验设备如图 1所示。该设备可以实现手臂的左右摆动、伸出与退回、上下移动、机械手指的夹紧与张开等四自由度动作。
图 1.机械手实验设备 <二 > 输入 /输出接口电路介绍
机械手实验设备既是所谓控制对象,对于一般工业控制,其控制核心使用可 编程控制器(PLC。设计输入输出接口电路(如图 2所示 的目的是为解决机械手 设备输出驱动单元、输入检测单元与 PLC 之间的信号接口问题。图中上层电路板 是驱动电路板,下层电路板左侧是输入接口电路板,右侧是输出接口电路板。
图 2.输入输出接口电路板 <三 > 输入 /输出接口电路板
输入接口电路板原理图如图 3所示,其功能是将设备上行程开关的开关状态 转换为统一的电平信号(逻辑 1:24V DC;逻辑 0:0V DC。板上设有光电隔离电 路,将内外电源隔离,以保护设备安全。
图 3.输入接口电路板电气原理图
本设备 8个输入信号,对应输入接口电路板的 8根输入信号线。各信号线对应的行程开关如表 1所示。
输出接口(如图 4所示 由两块电路板构成:驱动电路板和输出接口电路板。它们的功能是将 PLC 输出的控制信号用于驱动继电器动作,从而控制电动机正向 或反向运行。输出接口电路板上也设有光电隔离电路,可将内外电源隔离。
左图为驱动电路板电气原理图, 继电器 A 吸合、B 释放,对应的电机正转;继 电器 A 释放、B 吸合,对应的电机反转;继电器 A、B 同时释放,电机停止运行;不允许二者都吸合。右图为输出接口电路板电气原理图,当 PLC 输出的某路控制 信号有效时,对应的输出信号有效,从而可以使得对应的继电器吸合。
图 4.输出接口电路电气原理图
(左图为驱动电路板,右图为输出接口电路板
本设备有 8个输出控制信号,对应输出接口电路板的 8根输出信号线。各输 出信号线对应的电动机动作关系如表 2所示。
<四 >系统组成图
图
5、机械手电气控制系统总组成图 PLC 技术与工程应用课程设计
2.2 有关机械手的 I/O系统变量定义及分配表 《 1》、机械手 I/O变量分配
《 2》、机械手控制系统接线 图
6、机械手控制系统的接线图
3、控制系统设计 3.1 控制程序总流程图
图
7、机械手程序总流程图 机械手程序的简要说明 :
《 1》、在单步模式下按下启动按钮(若机械手处于初始位置, 则开始运行;否则, 按下复位键, 使机械手复位 →伸出 →下行 →手指夹紧 →上行 →左转 →下行 →手指张开 →上行 →退回 →左行 →停止
《 2》、在连续模式下按下启动按钮,上述动作依次发生,但回到初始位置之后, 继续下一个工件的传输过程。连续模式下,按下停止按钮,待本次工件传输工作 结束后,停止运行。
3.2 控制程序设计思路
该课程设计中的实验程序采用功能图其具体的步骤和编写思路如下:
图
8、机械手的顺序功能图 PLC 技术与工程应用课程设计 顺序功能图简要说明 :(1 由于单步 /连续运行的原因, 使用了分支选择电路, 使机械臂按照不同的操 作方法进行物料的抓取与放置。
(2 机械臂在上、下、左、右行走的控制中使用了 S-作为状态条件。(3 S7-200PLC 的顺控指令不支持直接输出故用了 SM0.0常 ON 继电器作为线 圈通的条件来解决这一缺陷。
(4 程序中 M0.0是一个选择逻辑它相当于一个开关,控制系统是单步操作还 是循环操作。
3.3 创新设计内容
《 1》、编制四个驱动电机的保护程序。要求自动检测电机是否处于堵转状态。若 电机处于堵转状态,应立即停止系统工作,并点亮故障报警灯;故障排除后,按 下复位按钮,故障报警灯熄灭;《 2》、连续运行模式下,统计传输工件的个数,存储于 PLC 的 V 型数据区,以备 组态监控使用,也可用状态表监视其状态变化。
4、上位监控系统设计
本实验所采用上位监控系统是基于计算机的上 STEP 7Micro WIN软件, 而进 行对程序和设备的系统内部的监控,主要的过程如下: 1.熟悉 STEP 7Micro WIN软件的编程环境、编程方法和用 STEP 7Micro WIN软 件编写上位机监控系统的程序。
2.根据课目设计要求,编写程序。
3.对系统进行调试和 I/O地址的分配、标释。
4.运行机械手设备, 打开上位机上的监控系统, 观察课目设计程序, 并监控机械 手设备是否正常情况下工作。
5.对设备工作中的不足进行修改,重新进行观察 本软件对程序实施了监控,监控部分剪影如图 9所示 :
图
9、程序的上位机监控图
另外本上位机监控系统还对数据的变化进行了全程监控,监控图表剪影如图 10所示 :
图
10、据变化的监控系统图
5、程序调试 5.1调试设备
首先在电脑的 STEP-7-Micro /WIN编程软件中将编辑的梯形图写入软件中, 然后点击运行并对其指出的错误进行修改,修改完最终运行无误后将其下载到可 编程控制仪器中;其次按照设计的要求接好线,确定无误后按下启动按钮。启动 后发现程序并不能按照实验要求的步骤进行运行,甚至没有可运行的迹象,这样 起初设计的单步程序和连续运行程序就失败了,也就不符合设计中的要求动作依 次有序进行操作的要求,所以务必要对其进行修正。这种情况下我采取了以下方 案: 方案一:在没有确定设备是否存在问题的情况下,首先我们对设备进行了检 测,发现不存在任何问题,在这种情况下我选择了再一次用先前的步骤来完成整 个过程以确定初次的接线过程是否有误,结果发现和以前的运行结果一样。这样 方案一就以失败而告终。
方案二:经过老师的指点我才明白是最初的程序均是单独的互不连接的,未 经子程序进行调用,因此就更不用提程序能连续运行了。于是我这次选择了利用 顺序功能图进行编程,摒弃了之前的程序,经过对程序的一改再改之后,又一次 对程序进行了调试并下载到可编程控制器中进行模拟检测,结果仍然取得了不尽 如人意的结果。于是就再去请教指导老师,经过一番指导终于小有成果,可以使 机械手进行预定步骤的动作的演示,所以此方案成功了。
5.2遇到的问题与解决方法
1、问题:“怎样使机械手的工作状态清晰而简单呈现出来?” 法案:“采用功能图进行程序的编写与调试。”
2、问题:“如何解决机械手的动作单步运行?” 法案:“采用上升沿脉冲触发并使用计数器、比较指令，以拨动开关产生上升沿脉冲触发数目来判定机械手那步动作的执行。”
3、问题:“如何解决对工件数目的计数? 法案:“进行标志位设置,使用传送指令、加数指令、上沿触发指令,以循环 动作的最后一步限位开关闭合作为触发进行加数,把所得加数和送给 VB0.6、心得体会
机械臂的 PLC 控制课程设计是自动化课程当中一个重要环节通过了 2周的课 程设计使我对课程设计过程有进一步了解,对自动化产品的有关的控制知识有了 深刻的认识。
此次设计是在张士磊老师的悉心指导下完成的。老师为设计课题的研究提出 了许多指导性的意见,为课程设计的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。张士磊老师的严谨治学、不断探索的科研作风,敏锐深邃的学术洞察力,孜孜不 倦的敬业精神,给我留下了深刻的印象,使我受益良多。在本文结束之际,特向 我敬爱的老师致以最崇高的敬礼和深深的感谢!通过此次设计,一方面让我认识到自己的不足,发现了学习中的错误之处;另一方面又积累丰富的知识,吸取别人好的方法和经验,增强对复杂问题的解决 能力,摸索出一套解决综合问题的方法,为自己以后的工作和学习打下坚实的基 础。再一方面也加强了我和老师的交流,认识到知识的渊博度。
因为理论知识学的不牢固,在设计遇到了不少问题,如:遗忘以前学过的专 业基础知识。通过理论与实际的结合,进一步提高观察、分析和解决问题的实际 工作能力,以便培养成为能够主动适应社会主义现代化建设需要的高素质的复合 型人才。运用学习成果,把理论运用于实际,使理论得以提升,形成创新思想。通过此次设计过程,巩固了专业基础知识,培养了我综合应用机械设计课程及其 他课程的理论知识和应用生产实际知识解决工程实际问题的能力,在设计的过程 中还培养出了我们的团队精神,为今后的学习和工作过程打下基础。
经过这次的努力,使我顺利的完成了此次课程设计。这份课程设计既是对这 学期所学知识的总结,又是自己知识的积累,也大大加深了对可编程控制器技术 的了解。
课程设计中既动脑又动手,是一个理论与实际结合的过程。仅仅有理论是不 够的,更重要的是实际的,是我们所设计的实物,具有设计合理,经济实用的优 点。这就需要我们设计者考虑问题是要仔细、周密,不能有丝毫的大意。对设计 方案的优越化,也需要我们综合各方面的因素考虑,尤其是实际。再次向教育指 导我的老师及同学表示诚挚的感谢!鉴于本人所学知识有限,经验不足,又是初次研究这种复杂的设计,在此过 程中难免存在一些错误和不足之处,恳请老师给予批评和指正。
PLC 技术与工程应用课程设计 附录 1 参考文献
二维通用机械手是一种可仿人操作、可自动控制、重复编程、能在二维平面内完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。随着现代工业技术的发展,工业自动化技术越来越高,一些重复的工作由机械手远程控制或自动完成不仅可提高生产效率、降低生产成本,同时也可以避免一些人不能接触的物质对从业者身体造成伤害。
1 设计要求
二维机械手的机械本体包括手指、手臂和躯干。像人手一样,机械手的手指处于手臂前部,通过移动、打开和关闭三种基本动作组合实现抓紧的动作。手臂具有伸缩功能,可以调节手指到躯干的距离,同时可以将躯干的旋转动作传递给手指。手臂伸缩与旋转动作的结合可以将手指移动到工件的位置。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。
本文的设计要求是:机械手开始运行后,首先进行初始化。机械手的初始化包括三个动作,手爪手指张开到最大、手臂缩回到初始位置以及手臂横纵方向归零。为节省初始化的时间,要求这三个动作同时进行。机械手运行时,首先根据工件位置计算手臂伸缩电机步数、躯干旋转电机步数,要求伸缩、旋转同时进行,将手指移动到工件正上方5cm处。第二,手臂纵向下移至手掌上的传感器检测到工件。第三,PLC控制手指收紧至手指上的传感器检测到工件,暂停1s后机械手带动工件纵向上移5cm。第四,根据目标位置计算手臂伸缩电机步数、躯干旋转电机步数,将工件准确安置到目标位置;第五、延时1s后,手抓手指张开到最大释放工件。机械手开始下一个循环的运动。
2 设计方案
本文设计的二维通用机械手共有4个自由度。依次为手臂前后伸缩、手臂上下移动、躯干水平旋转、手指的抓紧与松开。因此,本文的设计要求可以总结为:1)手爪夹紧动作。2)手臂伸缩运动。3)躯干旋转运动。
2.1 手爪夹紧动作
机械手的手爪实际上就是一个移动的卡具。不仅要求卡具卡紧的力度适中,而且卡紧的速度、准确度也要满足需求。本文设计的手抓是由PLC控制手指的张开和闭合。手指和手掌分别安装传感器负责感应手指与工件的距离。
2.2 手臂伸缩运动
手臂是连接手爪和躯干的主要部分。本文设计的手臂可执行纵向移动和前后伸缩运动,可以实现手臂伸缩和升降的运动。手臂伸缩和升降时,计算步进电机需要转动的步数。由PLC发出信号控制电机带动丝杠运动实现机械手的伸缩和升降运动。丝杠、螺母结构应用于机械手的传动中可以使机械手牢靠、准确度高、效率高。
2.3 躯干旋转运动
躯干是整个机械手的支撑机构,负责支撑手臂和手爪,同时可以自转并带动手臂手爪在水平方向旋转。躯干旋转时由步进电机带动一个旋转编码盘,每旋转三度发出一个脉冲,由传感器检测并送入PLC计算躯干旋转的角度。同时,在躯干上装有限位开关,控制最大旋转角度不能超过180度。
3 控制系统
3.1 PLC的选择
对于本设计中的被控对象,要求选用的PLC系统与其他形式的控制系统相比,具有较好的性价比,使用和维修方便;PLC主机和配置、控制功能等必须能满足被控对象的各种控制要求;PLC主机及配置必须是功能较强的新一代PLC机型。若采用三菱公司的PLC,则选FX系列,不选F1系列。同时还应当考虑将来工艺的变化和扩展,在满足确定的要求外,留有一定的余量;确保整个控制系统可靠。还要考虑大家对产品的熟悉程度,以及编程指令的易懂性。在此,本文选用三菱FX1N来做控制核心。
3.2 PLC梯形图中的编程元件
设计选用FX1N-60MR,其输入继电器(X)36点,输出继电器(Y)24点,辅助继电器(M)384点,状态继电器(S)1000点,定时器(T)256点,计数器(C),数据寄存器(D)等。
特殊辅助继电器:
M8000——运行监控(PLC运行时自动接通,停止时断开);
M8002——初始脉冲(仅在PLC运行开始时接通一个扫描周期);
M8005——PLC后备锂电池电压过低时接通;
M8011——10ms时钟脉冲;
M8013——100ms时钟脉冲;
M8012——1s时钟脉冲;
M8014——1min时钟脉冲。
3.3 PLC的I/O分配
根据机械手动作的要求,输入、输出分配如表1所示。
4 控制系统软件设计
机械手控制系统总体流程分为主程序、自动程序、手动程序和初始化程序共四个部分。主程序包含自动程序、手动程序和初始化程序的共同部分,是每个程序都需要经历的设置。自动程序包括单步控制程序和连续控制程序。如果控制方式设置为“手动”方式,则PLC执行完主程序后将跳过自动程序,直接执行“手动程序”。如果设置为“初始化”方式,执行完主程序后,执行回原位程序。如果设置为“连续”方式,则只执行主程序和自动程序。
4.1 主程序
主程序流程图如图1所示,当Y6复位(电磁阀松开)、后限位X21和上限位X17接通时,辅助继电器M0变为ON,表示机械手在原位。如果开始执行用户程序(M8002为ON)、系统处于手动或回原位状态(X0或X1为ON),那么初始步对应的M10被置位,连续工作方式做好准备。如果M0为OFF,M10被复位,系统不能进入连续工作方式。指令ZRST是成批复位应用指令,以防止系统从自动方式转换手动方式,再返回自动方式时出现两种不同的活动步。
4.2 自动操作程序
自动操作顺序功能流程图见图2所示。当机械手处于原位时,按X4启动,状态转移到S1,驱动前伸Y3,当到达前限位使行程开关X20,状态转移到S2,而S1自动复位。驱动手顺转Y7,X24接通,状态转移到S3,驱动下降Y2,X16接通,状态转移到S4,S4驱动Y6置位,延时1秒,以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通,状态转移到S5,驱动Y0上升,当上升到达最高位,X17接通,状态转移到S6。S6驱动Y4后退。
移到后限位,状态转移到S7底逆转Y12,状态到S8,X20接通,状态转移到S9下降。下降到最低位,X16接通,电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉,延时1秒。延时时间到,T1接通,状态转移到S11上升。上升到最高位,X25接通,状态转移到S13后退。后退到后限位,使X21接通,状态转移到S14,底盘顺转是X21接通,返回初始状态,再开始第二次循环动作。
4.3 手动单步操作程序
手动程序说明:用对应机械手的上下前后移动和夹紧松开按钮。按下不同的按钮,机械手执行相应的动作。在前后移动的程序中串联上线位置开关的动合触点是为了避免机械手在较低位置移动时碰撞其他工件。为保证系统安全运行,程序之间还进行必要的连锁。图3是手动单步操作程序部分流程图。
4.4 回原位程序
在系统处于回原位工作状态时,按下回原位按钮(X3),M3变为ON,机械手松开和上升,当升到上限位(X17变为ON),机械手后退,直到后限位(X21为ON)才停止,并且M3复位。
5 结束语
本文的控制方案可以实现机械手自动和手动控制下二维空间的自由运动。采用PLC进行工业机械手模型运行控制,简化了控制系统的硬件结构。同时用“软接线”方法进行程序控制,提高了系统的可靠性和灵活性。
参考文献
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[4]王小玲.工业机械手的PLC控制[J].机电工程技术,2004(09).
一、根据工艺过程分析控制要求
一是机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸又由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈两位置电磁阀控制。机械手的放松/夹紧由一个单线圈两位置电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。当该线圈通电时，机械手夹紧；该线圈断电时，机械手放松。当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到右工作台台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。
二是从原点开始，按下起动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀，机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移电磁阀断电，右移停止。若此时右工作台上无工件，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，下降停止；同时夹紧电磁阀断电，机械手放松。放松后，上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通左移电磁阀，机械手左移。左移到原点时，碰到左限位开关，左移电磁阀断电，左移停止。至此，机械手经过八步动作完成了一个周期。
三是机械手的操作方式分为手动操作方式和自动操作方式。自动操作方式又分为单步、单周期和连续操作方式。
手动操作：用按钮操作对机械手的每一种运动单独进行控制。
单步操作：每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。
单周期操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手自动完成一个周期的动作后停止。在工作中若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新启动时，必须用手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下启动按钮，机械手又重新开始单周期操作。
连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手的动作将自动地、连续不断地周期性循环。在工作中，若按一下停止按钮，则机械手动作停止。重新启动时，须用手动操作方式将机械移回原点，然后按一下启动按钮，机械手又重新开始连续操作。在工作中，若按一下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点自动停止。
二、确定所需的用户输入/输出设备及I/O点数
1.输入设备——用以产生输入控制信号
本例中输入设备应包括：
（1）操作方式转换开关。该开关应有手动、单步、单周期、连续等四个位置可供选择。
（2）手动时的运动选择开关。该开关应有上/下、左/右、夹紧/放松等三个位置可供选择。
（3）启动、停止及复位按钮。
（4）位置检测元件。机械手的动作是按行程原则进行控制的。其上限、下限、左限、右限的位置分别用限位开关来检测。
（5）无工作检测元件。右工作台上有无工件用光电开关来检测。
（6）各操作开关布置如图1所示。
2.输出设备—由PLC的输出信号驱动的执行元件
本题中输出设备应包括下降电磁阀、上升电磁阀、右移电磁阀、左移电磁阀、夹紧电磁阀、原点指示。
三、根据I/O分配选择合适的PLC
根据所确定的输入设备和输出设备，可画出PLC的I/O连接图，如图2所示。由图可见，PLC共需要15点输入，6点输出。假设涉及本论文的机械手由一台PLC控制，因为所需I/O点数不多，可选择超小型PLC即可，但在实际应用中，我们除了考虑PLC针对该控制系统的I/O点数刚好够用，也是不可行的，PLC在应用过程中，可能还有其他增加功能的控制，则可选择小型模块式PLC。本控制系统可选择日本松下FP1系列C40、C56、C72等机型，具体选择何种机型，还需要比较其价格，同时考虑使用维修是否方便等因素。在本文中选择日本松下FP1系列C40机型。
四、设计梯形图
在设计梯形图程序之前，简单介绍一下梯形图的一些基本知识，梯形图是一种图形语言，它沿用了传统的继电接触器中的继电器触电、线圈、串并联等术语和图形符号，而且还加进了许多功能而又使用灵活的指令，将微机的特点结合进去，使得编程容易。它又是由电气控制系统原理图演化而来的，它形象直观，简单易懂，为广大的电气技术人员所熟悉，成为PLC的主要编程语言。
1.梯形图的编程规则
（1）梯形图由若干个梯级组成。
（2）每个梯级自左端的母线开始，终止到最右端的一个线圈上。
（3）梯形图的编制应由左而右，自上而下的进行。
（4）继电器的线圈用[]方括号表示；其触点有常开和常闭两种。
（5）继电器的触点可以在任意串联和并联；继电器线圈可以并联，但不能串联。
（6）每个触点和线圈都要用字符和数字加以标注，以免混淆。
（7）梯形图的结尾一定要用字符和数字加程序结束指令。
2.梯形图自身的特点
（1）梯形图中的继电器是PLC存储器中的一位，当该位为1时表示继电器线圈接通，其相应的常开触点闭合，常闭触点断开；当该为0时，与上述相反。
（2）梯级中没有电流流动，它仅表示梯级中各元素之间的逻辑关系，即梯级右端继电器线圈的执行条件。
（3）继电器触点可以在梯形图中无限制的使用。
（4）上一级的运行结果可以立即被下一级采用。
（5）只有I/O继电器才能和现场的设备相连接，其它内部继电器和寄存器都不能直接和现场设备相连接。
3.程序设计过程
由于该机械手有四种工作方式，以单一的工作方式先编程调试成功，再把四种工作方式功能综合编程调试。
（1）手动方式程序设计；
（2）单周方式程序设计；
（3）连续方式程序设计；
（4）单步方式程序设计；
（5）四种方式综合程序设计；
（6）程序的调试。
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